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作為可沉淀強化的輕質材料，Al-Zn-Mg-Cu合金因其高比強度、高損傷容限和優(yōu)異的可加工性能而廣泛應用于航空航天領域。然而，由于7xxx系列鋁合金存在高熱裂和氧化敏感性，激光粉床熔融（LPBF）增材制造或電弧增材制造（WAAM）的快速冷卻速率和大熱輸入可能導致粗晶粒、元素分離和多種缺陷（如裂紋和孔隙），從而損害7xxx系列鋁合金的性能。
激光-電弧復合3D打印技術在穩(wěn)定電弧行為和抑制缺陷方面得到了廣泛認可。但現有的單一激光或電弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金仍然存在一些不可忽略的問題和挑戰(zhàn)。學界對于改善增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的高溫機械性能的研究仍然缺乏。
Graphical abstract
為此，大連理工大學高性能精密制造國家重點實驗室馬廣義教授團隊創(chuàng)新性地提出了脈沖激光-電弧復合增材制造技術，相關最新研究成果在國際知名期刊Journal of Materials Science & Technology上發(fā)表（封面論文）。該技術采用定域可控的脈沖激光作為熱源之一，與熱輸入較大的電弧復合共同熔化焊絲，通過激光-電弧耦合作用實現Al-Zn-Mg-Cu合金構件的高質量制造。此論文提到的方法為高性能輕質合金制造提供了一種有效的選擇。
JMST封面
研究人員開發(fā)了形性聯(lián)合調控的增材與后續(xù)熱處理工藝，發(fā)現了Al-Zn-Mg-Cu合金“成分-相變”聯(lián)合強化機制：共格納米析出相剪切強化機制阻礙位錯運動。基于熱力學和動力學理論，計算了析出相溶解、形核生長臨界條件，并探討高溫拉伸后微觀組織與力學性能演變機理。復合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金樣件的常溫抗拉性能>600 MPa，高溫抗拉性能>360 MPa，優(yōu)于單一激光或電弧增材制備的Al-Zn-Mg-Cu、Al-Cu以及Al-Mg合金，能夠與常規(guī)鍛造的7075鋁合金相媲美。這些發(fā)現為高性能輕質合金制造提供了一種全新的思路。
圖1. (a) LAHAM系統(tǒng)；(b) 沉積的Al-Zn-Mg-Cu標本的宏觀照片和拉伸標本的尺寸；(c) YOZ平面的表面輪廓。
圖2. 在Al-Zn-Mg-Cu合金中的孔隙分析，顯示了從XCT重建的形態(tài)和分布：沉積狀態(tài)下的孔隙形態(tài)的3D可視化(a)和經熱處理標本(b)；沉積狀態(tài)下等效直徑的頻率分布(c)和經熱處理標本(d)；(e)等效直徑的分布。
圖3. 沉積狀態(tài)標本(a)和經熱處理標本(b)的反極圖（IPF）和極圖（PF）；(c)晶粒尺寸分布；(d)晶界錯配角百分比。
圖4. 沉積狀態(tài)標本平行于掃描方向的SEM圖像(a)和垂直于掃描方向的SEM圖像(b)；(c)放大的SEM圖像和點掃描結果；(d)對應(b)中的元素分布。
圖5. 經過熱處理標本的典型SEM圖像(a)和高倍放大的SEM圖像(b)；(c)在(b)中的對應元素分布；(d)次生相的EDS線掃描；(e)點掃描結果。
圖6. 沉積狀態(tài)的Al-Zn-Mg-Cu合金中不同相的透射電子顯微鏡（TEM）結果：共晶的HAADF圖像和元素分布(a)，η相的TEM圖像(b)，高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像(c)，FFT圖案(d)，以及η相的EDS映射(e)。
圖7. 經過熱處理的Al-Zn-Mg-Cu合金中的沉淀特征：BF-TEM圖像(a)，HRTEM圖像(b)，EDS映射(c)，放大的HRTEM圖像(d)，(e)FFT圖案和η'沉淀的化學組成。
圖8. 沉積狀態(tài)標本(a)和經熱處理標本(b)的微觀硬度。
圖9. (a) 沉積狀態(tài)[31]和經熱處理標本在室溫（RT）和高溫（HT）下的工程應力-應變曲線；(b) (a)中對應的平均0.2%屈服強度、抗拉強度和延伸率；(c) 本研究和先前文獻中473 K時不同鋁合金的0.2%屈服強度和斷裂應變總結（AlSi10Mg [39,40]，AlSi10Mg+TiCN [41]，Al-Si-Mg [42]，Al-Mg-Sc-Zr [17]，Al-Mg-Mn-Sc-Zr [43]，Al-Cu+TiO2 [44]，Al-Cu [45]，Al-Cu+Y [45]，經熱處理后的鍛造Al-Zn-Mg-Cu合金 [46,47]）。
圖10. (a) Al-Zn-Mg-Cu合金的相圖[49]和相應的沉淀溫度范圍；(b) 經熱處理標本在高溫拉伸實驗前后的BF-TEM和STEM圖像。
圖11. (a) 經熱處理標本中η'沉淀的HRTEM圖像；(b) (a)的對應逆FFT；(c) (a)對應的計算應變圖（εxx）；(d) 從(c)中沿箭頭方向提取的應變分布；(e) 沉積狀態(tài)標本中η相的HRTEM圖像和FFT圖案；(f) (e)虛線框中對應的計算應變圖（εxx）；(g) 從(f)中沿箭頭方向提取的應變分布。
在這項研究中，調查了激光電弧混合增材制造的Al-7.81Zn-1.46Mg-2.34Cu合金的微觀結構與高溫機械性能之間的關系，并通過熱處理實現了強化。主要結論如下：
(1) XCT結果表明，LAHAM制造的Al-Zn-Mg-Cu標本沒有裂紋，但存在內部氫氣孔。沉積狀態(tài)的標本相對密度為99.55%，平均孔等效直徑為8.6 μm。經過熱處理后，孔隙的體積分數達到了0.78%，孔隙發(fā)生了生長。
(2) 經固溶處理和人工時效處理后，沿晶界的連續(xù)分布的共晶被破壞。大量的η'沉淀均勻分布在經熱處理標本的鋁基體中。亞穩(wěn)態(tài)的η'相展現出與基體半一致的界面，并導致應變場，可以增加473 K下的滑移形變抵抗。
(3) 經過熱處理的標本在高溫下展現出良好的機械性能（0.2%屈服強度：318 ± 16 MPa，抗拉強度：362 ± 20 MPa，延伸率：6.8% ± 0.3%）。473 K下的0.2%屈服強度和抗拉強度分別比沉積狀態(tài)標本提高了約58%和51%。
(4) 沉積狀態(tài)的標本呈現脆性斷裂，裂紋更傾向于沿著聚集的共晶傳播。由于高溫下的拉伸加載，一些晶粒傾向于滑移和變形，經過熱處理后，塑性變形更大。裂紋傳播主要發(fā)生在經熱處理標本中具有更多孔隙的區(qū)域。
圖12. 示意圖，展示通過熱處理實現的微觀結構控制：(a) 沉積狀態(tài)標本；(b) 經熱處理標本。
圖13. 室溫下測試的沉積狀態(tài)標本的斷口表面(a)，裂紋傳播路徑的示意圖(b)和橫截面視圖(c)；經熱處理標本的斷口表面(d)，裂紋傳播路徑的示意圖(e)和橫截面視圖(f)。
圖14. 在473 K下測試的沉積狀態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金的斷口表面(a)和橫截面視圖(b)；經熱處理標本的斷口表面(c)和橫截面視圖(d)。
圖15. 沉積狀態(tài)標本(a)和經熱處理標本(b)的透射電子顯微鏡（TEM）的亮場圖；從沉積狀態(tài)標本(c)和經熱處理標本(d)的斷口處獲取的電子背散射顯微鏡（EBSD）生成的逆極圖（IPF）和KAM圖，HT表示高溫；(e) 沉積狀態(tài)標本和經熱處理標本的KAM分布；(f) 沉積狀態(tài)標本和經熱處理標本的晶界錯配角分布。
